Sieger beim JEC Americas Innovation Award 2016: Automatisiertes System für die individualisierte Verarbeitung von thermoplastischen Faserverbundkunststoffen

Pressemitteilung /

Leichtbau-Experten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT erhalten, gemeinsam mit ihren Entwicklungspartnern der HBW-Gubesch Thermoforming GmbH und der Bond-Laminates GmbH, während der JEC America vom 3. bis 5. Mai 2016 in Atlanta, Georgia, den »JEC Americas Innovation Award 2016« für ein automatisiertes System. Die Herstellung belastungs- und verschnittoptimierter Faserverbundkunststoffe durch den Einsatz von unidirektionalen faserverstärkten Tapes ist insbesondere für den Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbau interessant.

© Fraunhofer IPT
Anlage zur Herstellung von belastungs- und verschnittoptimierten Organoblechen
Als Wärmequelle bei der Verarbeitung der unidirektionalen Tapes werden Infrarotstrahler eingesetzt.

Automatisierte Fertigung thermoplastischer Verbundkunststoffe

Für die Technologieentwicklung der automatisierten Herstellung maßgeschneiderter, thermoplastischer Verbundkunststoffe erhielt die Gruppe »Faserverbundtechnik« des Fraunhofer IPT am 4. Mai 2016 in Atlanta den diesjährigen JEC Americas Innovation Award in der Kategorie »Process«. Ein wesentlicher Vorteil der thermoplastischen Verbundkunststoffe, wie Tepex des Konsortiumpartners Bond-Laminates GmbH mit thermoplastischer Matrix, liegt in der Warmumformfähigkeit und den daraus resultierenden kürzeren Prozesszeiten. Gegenüber vielen herkömmlichen Leichtbauwerkstoffen lassen sich diese schneller, ressourcenschonender und energiesparender verarbeiten – bei gleichen oder sogar besseren technischen Bauteileigenschaften. Verschiedene Kundenanforderungen machen es jedoch zunehmend notwendig, diese Organobleche an die spezifischen Einsatzanforderungen individuell anzupassen. Ein automatisiertes System für die Herstellung belastungs- und verschnittoptimierter Organobleche auf Basis von unidirektionalen thermoplastischen Tapes war bisher am Markt nicht erhältlich und wurde nun im Projekt »E-Profit« entwickelt und aufgebaut.

Erstmals ermöglicht das vom Fraunhofer IPT entwickelte Stand-Alone-System die Online-Verschweißung der unidirektionalen Tapes in Serienmaßstäben, um belastungsoptimierte Organobleche mit lokal unterschiedlichen Blechdicken sowie Verstärkungen herstellen zu können. Die automatisierte Anlage baut verschnittminimierte Strukturen aus mehreren dünnen Lagen auf, sodass zum einen eine kostenintensive Anlagentechnologie entfällt und zum anderen auch nachgeschaltete Prozessschritte wie eine Nachkonsolidierung nicht mehr erforderlich sind. Dabei können sowohl Tepex-Organobleche lokal mit Tapes verstärkt werden als auch mehrerer Lagen Tape oder einzelne Tepex-Lagen zu verschnitt- und belastungsoptimierten ebenen Blechen kombiniert werden. Entgegen herkömmlichen Verfahren ist ein kosten- und energieintensiver nachträglicher Konsolidierungsschritt wie in Presssystemen nicht notwendig.

Flexible Anlagentechnik für die Serienfertigung

Das Fraunhofer IPT und seine Partner entwickelten damit eine sichere und robuste Anlagentechnologie, die Infrarotstrahler als Wärmequelle zum Verschweißen der einzelnen Lagen nutzt. Dieses eigenständige System kommt ohne Zusatzausrüstung wie Roboter aus und bietet durch seine variable, flächige Konsolidierstrecke eine große Vielfalt an Einsatzfeldern. So lassen sich sowohl Kohlenstoff- als auch Glasfasertapes mit verschiedenen Matrixmaterialien kombinieren.

Die Anlage arbeitet mit Ablagegeschwindigkeiten bis zu 1m/s und kann Organobleche mit einer Gesamtbreite von maximal 1m herstellen. Die Laminate lassen sich durch beliebig einstellbare Faserorientierungen genau an den jeweiligen Anwendungsfall und die gewünschte Belastungsfähigkeit anpassen. Mit der Anlage gelingt nun erstmals eine automatisierte Herstellung belastungs- und verschnittoptimierter Organobleche, die bereits vollständig konsolidiert sind, sodass  sie direkt umgeformt, funktionalisiert und besäumt werden können.

Anlagen- und Prozessentwicklung für die Herstellung belastungs- und verschnittoptimierter Organobleche aus thermoplastischen unidirektionalen Tapes

Das Fraunhofer IPT bietet interessierten Unternehmen an, entsprechende Produktionsanlagen individuell auszulegen, zu konstruieren, aufzubauen und für die Inbetriebnahme zu qualifizieren. Auf Basis der Projekterfahrungen kann das Fraunhofer IPT für seine Kunden die vollständige Prozessentwicklung und -optimierung zur Herstellung belastungs- und verschnittoptimierter Organobleche aus thermoplastischen Tapes übernehmen. Dazu zählen auch die lokale Verstärkung herkömmlicher Halbzeuge zu belastungsoptimierten Organoblechen, die Fertigung von Prüfkörpern und anwendungsnahen Demonstratorbauteilen sowie die Qualifizierung und der Vergleich unterschiedlicher Bauteil- und Laminatqualitäten.

Die Anlage wurde im Rahmen des Projektes »E-Profit – Energieeffiziente Produktion funktionsintegrierter thermoplastischer Faserverbundbauteile« zusammen mit Industriepartnern entwickelt. In Zusammenarbeit mit Bond-Laminates konnte vor allem die lokale Verstärkung bestehender Organobleche zur Erzielung klar definierter Lastpfade erfolgreich umgesetzt werden, um verschnittminimierte Hochleistungsstrukturen zu erreichen. Der Entwicklungspartner HBW-Gubesch Thermoforming GmbH hat die Umformbarkeit der so entstandenen Materialien simuliert und experimentell validiert, um auch komplexe 3D-Bauteile aus diesen Materialien herstellen zu können.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept »Forschung für die Produktion von morgen« gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.

Unsere Partner im Projekt:

Bond-Laminates GmbH, mit Sitz im sauerländischen Brilon, hat mehr als 15 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Produktion und Anwendungstechnik von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen. Das innovative Tepex Materialsystem von Bond-Laminates unterstützt maßgeschneiderte Lösungen vom innovativen Material- und Bauteildesign, bis hin zur effizienten Massenfertigungsabwicklung und wurde bereits erfolgreich in vielfältigen Anwendungen und Märkten eingesetzt. Seit 2012 gehört Bond-Laminates als hundertprozentiges Tochterunternehmen zur LANXESS AG, einem führenden Spezialchemie Unternehmen. Als Teil der Sparte High Performance Materials ergänzt Bond-Laminates die Kompetenzen von LANXESS im Bereich der innovativen Leichtbaumaterialien.

HBW-Gubesch Thermoforming GmbH ist ein mittelständisches, kunststoffverarbeitendes Unternehmen. Die Firma ist ein Full-Service-Provider auf der Basis innovativer Thermoform- und Spritzgusstechnologien. Das Unternehmen bietet die gesamte Prozesskette in der Kunststoffverarbeitung aus einer Hand an, von der ersten Idee bis zur Serienfertigung. Somit bedient es folgende Bereiche: Entwicklung, Konstruktion, Modell- und Prototypenbau, Werkzeugbau, Fertigung der Teile sowie die abschließende Oberflächenveredelung. Zusätzlich zu den genannten Kernkompetenzen hat sich HBW-Gubesch am Markt auch erfolgreich als Technologielieferant etabliert. Durch unsere eigene Forschungs- und Entwicklungsabteilung erarbeiten wir uns in diversen Forschungsvorhaben regelmäßig einen technologischen Vorsprung und verfügen somit über einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil.